第1章-预应力混凝土结构的一般问题

HarbinInstituteofTechnology预应力混凝土桥梁结构设计原理PrestressedConcreteBridgeStructureDesign第1章预应力混凝土结构的一般问题Chapter1GeneralizationofPrestressedConcreteStructures预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系第1章预应力混凝土结构的一般问题1-1预应力混凝土的基本原理1-2预加力的实施方法1-3预应力钢筋的锚固1-4预应力混凝土T梁的生产过程1-5先张法与后张法比较1-6预应力损失计算1-7预应力混凝土受弯构件各受力阶段分析1-8预应力混凝土结构设计计算的主要内容预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理1、钢筋混凝土结构存在的问题钢筋混凝土结构具有耐久性好，可就地取材、制造工艺简单等，至今仍是工程结构的主要形式之一。但是，钢筋混凝土结构也有其固有的缺点。由于混凝土抗拉强度低，极限拉应变小，在荷载作用下，混凝土很容易开裂。钢筋混凝土结构容易开裂的特点，使其不能有效利用高强度的材料（如高强钢材、高强混凝土等）。在桥梁中，仅用于下部结构（如桥台、桥墩、承台、桩、涵洞等），或小跨径的简支梁、连续梁（跨径小于20m）。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理在钢筋混凝土结构中，当混凝土承受的拉应力达到其抗拉极限强度ftk，或混凝土拉应变达到其极限应变tu（约为0.0001~0.00015，即100~150）时，混凝土就要开裂。由于粘着力的作用，钢筋与周围混凝土具有相同的变形。因而，混凝土即将开裂时，钢筋中的应力s=tuEs=(0.0001~0.00015)2.0105=20~30MPa事实上，钢筋的设计应力要远远大于此值：对于R235，fsd=195MPa；对于HRB335，fsd=280MPa。即混凝土开裂时，钢筋只发挥了其设计强度的1/10左右。在设计荷载作用下，钢筋的应力是按其设计强度fsd取值，这意味着，在使用阶段，钢筋混凝土结构的受拉区总是要出现裂缝的。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理随着冶金工业的发展，钢材的强度不断提高。目前，国产高强钢丝和钢绞线的抗拉强度标准值已达1860MPa。如果将这种高强钢材直接配置在混凝土中，按设计荷载作用下钢筋应力达到其抗拉强度标准值的1/2进行设计，即s=fsk/2=930MPa，这时钢丝周围混凝土的拉应变为t=s=s/Es=930/1.95105=0.0048这个应变相当于混凝土极限拉应变(0.0001)的40多倍，这将引起混凝土的严重开裂，结构根本无法正常使用。即使提高混凝土的强度等级，其抗拉强度提高很小，仍解决不了抗裂问题。所以说，在钢筋混凝土结构中，由于混凝土抗拉强度低，容易开裂，高强度钢筋和高标号混凝土根本无法充分发挥作用。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理思考题：对于钢筋混凝土简支梁，在外荷载作用q下，最容易开裂的部位在哪里，是什么原因引起的，裂缝的特点是什么？q预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理2、施加预应力解决钢筋混凝土结构的裂缝问题解决钢筋混凝土结构裂缝问题的积极措施是，设法预先在混凝土中造成一种预压应力，用以抵消外荷作用下所产生的拉应力，使混凝土的整个截面在外力作用下始终处于受压工作状态，这样也就不会出现拉应力，从而限制裂缝的出现。我们将这种预先加过应力的混凝土称为预应力混凝土。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理C30混凝土制做的纯混凝土简支梁，分析其跨中截面应力情况。L=4m0.20.3q=15kN/m0.05N=300kNN=300kN+10MPa-10MPa+10MPa+10MPa00033.0MPa10003.030mkN3082EWMσqlMMPa100WNeANσpc预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理预应力混凝土结构通常作法是，张拉钢筋使其伸长，再加以锚固，将其反力传递于混凝土，造成钢筋受拉、混凝土受压的应力状态。预留管道混凝土由于受到很高的压应力，必须采用高强度混凝土。因此，预应力混凝土结构为使用高强度材料开辟了广阔的前景。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理3、预应力结构的分类－全预应力与部分预应力在预应力混凝土结构设计中，通过设置适当的预加力和偏心距提供压应力。预加力的大小和偏心取决于设计期望达到的应力状态。在预加力和外荷载共同作用下（桥规规定为短期效应组合），按照控制截面受拉区边缘出现的拉应力情况（如简支梁跨中截面下缘），分为：1）全预应力混凝土结构（PC-PrestressedConcrete）2）部分预应力混凝土结构（PPC-PartialPrestressedConcrete）预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理（1）全预应力混凝土（PC）在一切荷载组合情况下（短期效应组合），都必须保持全截面受压，不允许出现拉应力的预应力混凝土称为全预应力混凝土。全预应力混凝土具有抗裂性好，刚度大，可节省普通钢筋等优点，但也发现存在一些严重的缺点：1）反拱过大，并由于混凝土徐变的影响不断发展；2）由于预加力过大，易于产生平行于预应力钢筋的纵向裂缝。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-1预应力混凝土结构的基本原理（2）部分预应力混凝土（PPC）针对全预应力混凝土由于预加力过大所引起的问题，从1960年开始，国际工程界就开始了适当减小预加力、降低预应力混凝土抗裂要求的讨论，逐步形成了部分预应力混凝土的概念。所谓部分预应力混凝土，指在预加力和外荷载作用下（短期效应组合），允许出现拉应力或允许出现裂缝的预应力混凝土。A类构件：在短期效应下，控制截面受拉边缘允许出现拉应力，但应控制拉应力不得超过允许值，即不允许开裂。B类构件：在短期效应下，允许出现裂缝，但对最大裂缝宽度加以限制。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-2预应力的实施方法对混凝土施加预应力，一般是通过张拉高强度钢筋（称为预应力筋或钢束、力筋），利用钢筋的回弹来挤压混凝土，使混凝土受到预压应力。根据张拉钢筋与混凝土浇注的先后关系，可分为：•先张法•后张法预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-2预应力的实施方法1、先张法(a)用千斤顶张拉预应力钢筋，并临时锚固于加力台座上；(b)浇筑混凝土；(c)待混凝土结硬后，解除预应力钢筋与加力台座之间的联系，传力于混凝土。压缩压缩(c)张拉台座预应力筋(a)混凝土(b)预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-2预应力的实施方法2、后张法(a)浇筑梁身混凝土，并预埋套管，形成孔道；(b)穿进预应力钢筋，待混凝土结硬后，进行张拉；(c)锚固钢筋，传力于混凝土，压注水泥浆，填塞孔道。预留孔道（a）锚具力筋束锚具（b）Np(张拉力)（c）压注水泥浆预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)在后张法中，为了维持预应力钢筋中的应力，必须将张拉后的钢筋用锚具牢靠地锚固在梁体混凝土上。按照锚固传力的方式，可分为如下几种：摩阻锚固承压锚固粘着锚固预应力钢筋连接器预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)1、摩阻锚固：利用锥形或梯形楔块的侧向力产生的摩阻力来防止钢丝滑动。如钢制锥形锚、夹片锚（群锚）。1、锚塞2、锚环3、钢丝束锥形锚具由法国著名预应力结构学者弗莱西奈(Freyssinet)首创，也称“F”氏锚，由锚环和锚塞组成。通过张拉预应力钢丝，顶压锚塞，把钢丝楔紧在锚环与锚塞之间，借助摩阻力传递张拉力。同时利用钢丝的回缩带动锚塞向锚环内滑进，使钢丝进一步楔紧。锥形锚具主要用于锚固12-30根直径为5mm、7mm的高强钢丝。其特点是锚具简单，使用成本低，锚环直径较小，便于在构件上布置。缺点是锚固时钢丝的回缩量较大，预应力损失较大，且无法重复张拉和接长，不能用于长束。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)群锚锚具（夹片锚）是以钢绞线为预应力筋的后张体系，主要由夹片、锚垫板、锚杯组成。将钢绞线穿过带有多个圆锥形孔锚杯的圆孔，每根钢绞线用一组内孔带齿槽的圆锥形夹片（由两片或三片组成）单独夹持，夹片按楔作用的原理，在钢绞线回缩过程中将其压紧，达到锚固的目的。其特点是不易产生个别钢绞线的滑移或滑脱，锚固可靠；由于每根钢绞线是分开锚固的，任何一根钢绞线锚固失效都可以单独处理而不会引起整体锚固失效。国内在1987年研制群锚锚具成功，常用的有XM、QM、OVM、YM、XYM等，主要用于锚固75mm钢绞线，锚固的钢绞线根数从1根到55根不等。群锚体系在国际上采用最为广泛，著名的有瑞士VSL体系、法国Freyssinet体系、英国CCL体系等。1、锚杯2、三分式夹片预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)2、承压锚固：将钢筋的端头做成螺纹(或镦成粗头)，钢筋张拉后，拧紧螺帽（或锚圈），通过螺帽（或锚圈）与垫板的承压作用，将钢筋锚固。如镦头锚、钢筋螺纹锚具。镦头锚先将预应力筋逐一穿过锚杯或锚板中比钢丝直径稍大的圆孔，利用镦头机将钢丝端头镦粗，使钢丝不能脱出，然后将千斤顶拉杆旋入锚杯内，进行张拉，待张拉达到设计要求时，将螺帽拧紧，再放松千斤顶，于是锚圈通过支承垫板将预压力传给构件。镦头锚构造简单，工作可靠，不会出现“滑丝”现象，预应力损失小。但对钢丝下料长度要求精度高。若钢丝下料长度不准，张拉时各钢丝受力不均，易发生断丝现象。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)钢筋螺纹锚具可用来张拉锚固用高强度粗钢筋做的预应力筋。在高强度光圆钢筋的端部，采用冷滚压的方法冷轧出外径大于钢筋直径的螺纹，在钢筋张拉后直接拧上特种螺帽进行锚固。特点是锚固性能可靠，操作简便，应力损失小，能重复张拉、放松，可用套筒式连接器多次接长。目前国内生产的有两种规格，可分别锚固25mm和32mm两种IV级冷拉钢筋。1、预留孔道2、圆垫圈3、排气槽4、钢筋1、压浆管2、锥形螺帽3、钢筋5、锚固螺帽6、锚垫板7、螺旋钢筋4、螺旋钢筋张拉锚具结构图固定锚具结构预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)3、粘着锚固：将钢绞线端头浇在混凝土中，靠钢绞线与混凝土的粘结力锚固钢筋。轧花式锚具挤压式锚具预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-3预应力钢筋的锚固(Anchorage)4、钢筋连接器：主要作用是将要接长的新钢束连接到已张拉锚固的钢束上。预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-4预应力混凝土T梁的生产过程模板支立，钢筋绑扎预留管道混凝土浇注并养生穿束、张拉孔道压浆、封锚吊装就位视频预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-4预应力混凝土T梁的生产过程模板支立，钢筋绑扎，预留管道预应力混凝土桥梁结构设计原理交通科学与工程学院桥梁工程系1-4预应力混凝土T梁的生产过程混凝土浇